|
|
|
|
|
Símbol: Al |
Nombre atòmic: 13 |
|
|
Alumini |
Aluminio |
Aluminium |
Aluminium |
Grup: 13 |
Període: 3 |
|
|
Família:
Família del Bor |
Configuració electrònica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 |
|||||
|
Generalitats |
|||||
|
Descobridor/s: Hans Christian
Oersted - Fredrich Wöhler |
Nacionalitat: Dinamarca - Alemanya |
Any: 1825 -1827 |
|||
|
Origen del nom: El nom
procedeix de la paraula llatina “alumen” amb que els romans
designaven a les substàncies amb propietats astringents. El 1807, Humphrey Davy va proposar el nom aluminum per
a aquest metall encara no descobert, però més tard va decidir
canviar-lo per aluminium per coherència amb la majoria dels noms
d'elements, que usen el sufix -ium. D'aquest van derivar els noms actuals en
altres idiomes; tanmateix, als Estats Units amb el temps es va popularitzar
l'ús de la primera forma, que també és admesa per la
IUPAC encara que prefereix l'altra. |
Una mica
d’història: Tant a Grècia com a Roma s'emprava l'alum
(del llatí alumen, -inis, alum), una sal doble d'alumini i potassi com
mordent en tintoreria i astringent en medicina, ús encara en vigor. Generalment es reconeix a Friedrich Wöhler
l'aïllament de l'alumini en 1827. Tot i així, el metall va ser obtingut,
impur, dos anys abans pel físic i químic danès Hans
Christian Ørsted. En 1825 Oersted va preparar una amalgama
d’alumini (alumini dissolt en mercuri) per reacció del clorur
d’alumini amb una amalgama de potassi (aliatge de potassi i mercuri).
Posteriorment va destil·lar el preparat per eliminar el mercuri i va
obtenir així l’alumini impur, ja que contenia encara una
proporció apreciable de mercuri. Entre 1827 i 1845, Friedrich Wöhler, un
químic alemany, va millorar el procediment d’Oetsted utilitzant
potassi metàl·lic:
Cl3Al + 3K à Al + 3ClK Ell va ser el primer en mesurar el pes específic
de l’alumini i mostrar la seva lleugeresa. En 1854 Henri Sainte-Claire
Deville, a França, va obtenir el metall per reducció del clorur
d’alumini amb sodi. Ajudat econòmicament per Napoleó III,
Deville va construir una planta experimental a gran escala i va mostrar
l’alumini pur en l’Exposició De París de 1855. En 1886 el nord-americà Hall i el francès
Héroult van descobrir simultàniament que l’òxid
d’alumini era soluble en criolita (F6AlNa3) fosa
i que la barreja podia electrolitzar-se amb un rendiment comercial superior
al que s’obtenia pels mètodes fins llavors utilitzats. Aquest
descobriment va produir un descens considerable en el preu de l’alumini
que va portar a la utilització intensiva d’aquest metall. En efecte, en 1886 la producció
mundial d’alumini era menys de 45kg i el seu preu era superior a 11
dòlars per kg. En 1989, per contra, la producció mundial
estimada d’alumini primari era de 18 milions de tones i el preu menys
de 2 dòlars per kg. És un
dels elements que té un símbol alquimista:
|
||||
|
Estat natural: Tot i que l'alumini
és un material molt abundant en la escorça terrestre (8,1%,
és l’element metàl·lic més abundant en
l’escorça terrestre, únicament els no metalls oxigen i
silici són més abundants) rarament es troba lliure. Normalment
es troba com a silicat d’alumini o com a silicat mixta d’alumini
i altres metalls com sodi, potassi, ferro, calci i magnesi. Aquests silicats
no són minerals útils per ser químicament
difícil, i per tant car, extreure alumini a partir d’ells. La bauxita, un òxid impur hidratat
d’alumini, és la font comercial d’alumini i els seus
compostos Les seves aplicacions industrials són
relativament recents, produint-se a escala industrial des de finals del segle
XIX. Quan va ser descobert es va trobar que era extremadament difícil
la seva separació de les roques de què formava part, per la
qual cosa durant un temps va ser considerat un metall preciós,
més car que l'or; no obstant això, amb les millores dels
processos els preus van baixar contínuament fins a
col·lapsar-se al 1889 després de descobrir-se un mètode
senzill d'extracció del metall. |
Estructura cristal·lina: Sistema Cúbic centrat a les cares |
a = b = c Tots els angles rectes |
|||
|
Abundància a
l’ésser humà: 900 ppb (parts per bilió) en pes. |
Abundància
a la Terra: 8,1 % a l’escorça. És l’element
metàl·lic més abundant en l’escorça
terrestre, únicament els no metalls oxigen i silici són
més abundants. |
Abundància
al Sistema Solar: 50000 ppb (parts per bilió ) en pes. |
|||
|
Propietats |
|||||||
|
Físiques |
Massa
atòmica (u) |
Densitat
(kg/m3) |
Duresa
(escala de Mohs) |
Volum
atòmic (cm3/mol) |
|||
|
26,98154 |
2698 |
2,8 |
10 |
||||
|
Tèrmiques |
Estat
d’agregació a 298 K |
Punt de
fusió (K) |
Punt
d’ebullició (K) |
|
|||
|
sòlid |
933,3 |
2740 |
|
||||
|
Radis |
Radi
atòmic (Å) |
Radi
iònic (Å) |
Radi
covalent (Å) |
|
|||
|
1,43 |
0,45 (Al+3) |
1,18 |
|
||||
|
Ionització |
Afinitat
electrònica (KJ/mol) |
1a
energia ionització (KJ/mol) |
2a
energia ionització (KJ/mol) |
3a
energia ionització (KJ/mol) |
Estats
d’oxidació |
||
|
42,5 |
577,6 |
1816,6 |
2744,7 |
+1, +3 |
|||
|
Elèctriques |
Conductivitat
elèctrica (mOhm.cm)-1 |
Electròniques |
Electronegativitat
(Pauling) |
Polaritzabilitat
(Å3) |
|
||
|
376,7 |
1,61 |
8,3 |
|
||||
|
Termodinàmiques |
Calor
d’atomització (KJ/mol d’àtoms) |
Calor de
fusió (KJ/mol) |
Calor de
vaporització (KJ/mol) |
Calor
específica (J/kg K) |
Conductivitat
tèrmica (J/m s ºC) |
||
|
326,0 |
10,7 |
291,0 |
877,8 |
237,00 |
|||
|
Altres |
Potencial
normal de reducció (v) |
Caràcter
metàl·lic |
Precaucions: L'alumini
és un dels pocs elements abundants en la naturalesa que semblen no
tenir cap funció biològica beneficiosa. Algunes persones
manifesten al·lèrgia a l'alumini, patint dermatitis per
contacte, i fins i tot desordres digestius ingerint aliments cuinats en
recipients d'alumini; per a la resta de persones, no es considera tant
tòxic com els metalls pesats, encara que hi ha evidències de
certa toxicitat si es consumeix en grans quantitats. L'ús de
recipients d'alumini no s'ha trobat que ocasioni problemes de salut, estant
aquests relacionats amb el consum d'antiàcids o antitranspirants que
contenen alumini. S'ha suggerit que l'alumini pot estar relacionat amb
l'Alzheimer, encara que la teoria ha estat refutada. L’alumini metall presenta
perill de foc quan està polvoritzat. |
||||
|
-1,66 Al3+/Al |
metall |
||||||
|
Característiques: |
|
||||||
|
És un metall tou en estat pur, lleuger, de color
grisós i de baixa densitat; és dúctil i
mal·leable però a temperatura propera al seu punt de
fusió es torna trencadís. És un bon conductor de la calor i
l’electricitat (d’aquí el seu ús per a cables de
conduccions elèctriques d’alta tensió). |
|||||||
|
Isòtops |
||||||
|
Isòtop |
Protons |
Neutrons |
Símbol |
Vida mitjana |
Abundància |
Altres |
|
Alumini
- 24 |
13 |
11 |
24Al |
2,07
segons |
0,00 |
Radioactiu |
|
Alumini
- 25 |
13 |
12 |
25Al |
7,17
segons |
0,00 |
Radioactiu |
|
Alumini
- 26 |
13 |
13 |
26Al |
710000
anys |
0,00 |
Radioactiu |
|
Alumini
- 27 |
13 |
14 |
27Al |
Estable |
100,00 |
|
|
Alumini
- 28 |
13 |
15 |
28Al |
2,25
minuts |
0,00 |
Radioactiu |
|
Alumini
- 29 |
13 |
16 |
29Al |
6,5
minuts |
0,00 |
Radioactiu |
|
Alumini
- 30 |
13 |
17 |
30Al |
3,68
segons |
0,00 |
Radioactiu |
|
Reactivitat |
|
|
Descripció |
És un metall fortament electropositiu i summament
reactiu. L’aire humit l’oxida lleugerament ja que el
recobreix d’una fina i compacta capa d’òxid que
l’aïlla i impedeix que segueixi reaccionant, per això els
materials fets d’alumini no s’oxiden. L’alumini desplaça l’hidrogen dels
àcids i de les bases concentrades, formant aluminats de tipus (Al(OH)4)-: 2Al (s) + 2NaOH (aq) + 6H2O à 2Na+ (aq) +2(Al(OH)4)-
+ 3H2 (g) L’alumini s’encén en oxigen amb una
flama blanca brillant per formar l’òxid d’alumini, Al2O3: 4Al (s) + 3O2 (l) à 2Al2O3 (s) Reacciona vigorosament amb els halògens per a
formar els halurs corresponents: 2Al (s) + 3Cl2 (l) à 2AlCl3 (s)
2Al (s) + 3Br2 (l) à 2AlBr3 (s)
2Al (s) + 3I2 (l) à 2AlI3 (s) L’alumini es dissol en àcid
sulfúric diluït i en àcid clorhídric per a formar
solucions que contenen el ió aquós Al (III) juntament amb
hidrogen gas: 2Al (s) + 3H2SO4
(aq) à 2Al3+ (aq) + 2SO42-
(aq) + 3H2 (g)
2Al (s) + 6HCl (aq) à 2Al3+ (aq) + 6Cl-(aq) + 3H2
(g) El metall redueix a molts altres compostos metàl·lics
a llurs metalls lliures. Per exemple, quan una mescla de pols d’alumini
i òxid de ferro s’escalfa, l’alumini ràpidament treu
l’oxigen a l’òxid de ferro; la calor de la reacció
es suficient per a fondre el ferro. Aquest fenomen s’usa en processos
per a soldar ferro. L’òxid d’alumini es anfòter (es
comporta com a àcid i com
a base ). Els compostos
més importants són l’òxid, l’hidròxid
i el sulfat. El clorur d’alumini
anhidre és important en las indústries químiques i del
petroli. Moltes gemmes com el robí i el safir són principalment
òxid d’alumini cristal·lí. |
|
Amb aire |
Suau; amb calor
à Al2 O3
4Al (s) + 3O2 (l) à 2Al2O3 (s) |
|
Amb H2O |
No reacciona |
|
Amb HCL 6M |
Suau à H2 ; AlCl3 2Al
(s) + 6HCl (aq) à 2Al3+ (aq) + 6Cl-(aq) + 3H2
(g) |
|
Amb HNO3 15M |
Es torna passiu |
|
Amb NaOH 6M |
Suau à H2 ; Al(OH)4- 2Al
(s) + 2NaOH (aq) + 6H2O à 2Na+ (aq) +2(Al(OH)4)-
+ 3H2 (g) |
|
Obtenció |
Al 1859 Henri Sainte-Claire Deville
va publicar dues millores en el seu procés d'obtenció:
substituir el potassi per sodi i el substituir el clorur simple pel doble.
Posteriorment, la invenció del procés Hall-Héroult el
1886 va abaratir el procés d'extracció de l'alumini a partir
del mineral, la qual cosa va permetre, juntament amb el procés Bayer
del mateix any, que s'ampliés el seu ús fins a fer-se
comú en multitud d'aplicacions. La recuperació del metall a
partir de la ferralla (reciclatge) era una pràctica coneguda des de
principis del segle XX. És, no obstant això, a partir dels 60
quan es generalitza, més per raons mediambientals que estrictament
econòmiques. El procés ordinari
d'obtenció del metall consta de dues etapes, l'obtenció
d'alúmina pel procés Bayer a partir de la bauxita, Al2O3·2H2O,
i posterior electròlisi de l'òxid per a obtenir l'alumini,
mètode de Hall, que consisteix en l’electròlisi
d’una barreja de criolita fosa i òxid d’alumini en una
cubeta d’acer coberta de carboni i que actua de càtode amb
elèctrodes de carboni que actuen d’ànode. En el
càtode es diposita l’alumini líquid, ja que el bany es
troba a una temperatura superior a la del seu punt de fusió, que cau
per gravetat al fons de la cubeta d’on es retira. Donat que l’alumini és
difícil de purificar, ha de purificar-se l’òxid abans de
l’electròlisi, això es fa pel mètode Bayer que
consisteix en escalfar la bauxita (que conté també Fe2O3,
SiO2 i altres impureses) amb una dissolució concentrada
d’hidròxid de sodi de manera que l’òxid
d’alumini es dissol i en resulta una solució d’aluminat de
sodi i silicat de sodi i l’impuresa d’òxid fèrric
roman insoluble. Diluint la dissolució, precipita
l’hidròxid d’alumini que es converteix en òxid per
dessecació, mentre el silicat de sodi queda en solució. L'elevada reactivitat de l'alumini
impedeix extraure'l de l'alúmina per reducció, essent
necessària l'electròlisi de l'òxid, la qual cosa exigeix
al seu torn que aquest es trobi en estat líquid. Tanmateix,
l'alúmina té un punt de fusió de 2000 ºC,
excessivament alta per a escometre el procés de forma
econòmica, fet pel qual era dissolta en criolita fosa, la qual cosa
disminuïa la temperatura fins als 1000ºC. Actualment, la criolita
se substituïx cada vegada més per la ciolita, un fluorur
artificial d'alumini, sodi i calci. |
|
Usos |
Ja sigui considerant la quantitat o el valor del metall
emprat, el seu ús excedeix al del qualsevol altre exceptuant l'acer, i
és un material important en multitud d'activitats econòmiques.
L'alumini pur és tou i fràgil, però els seus aliatges
amb petites quantitats de coure, manganès, silici, magnesi i altres
elements presenten una gran varietat de característiques adequades a
les més diverses aplicacions. Aquests petits aliatges
constituïxen el component principal de molts de components dels avions i
coets, en què el pes és un factor crític. Quan s'evapora alumini en el buit, forma un revestiment
que reflexa tant la llum visible com la infraroja. A més la capa
d'òxid que es forma impedeix el deteriorament del recobriment, per
aquesta raó s'ha emprat per a revestir els miralls de telescopis, en
substitució de la plata. Donada la seva gran reactivitat química,
finament polvoritzat s'usa com a combustible sòlid de coets; en algun
explosiu, com a ànode de sacrifici i en processos
d'aluminotèrmia per a l'obtenció de metalls. Altres usos de l'alumini són: Transport, com a material
estructural en avions, automòbils, tancs, superestructures de
vaixells, blindatges, etc; per la seva alta resistència en
relació al seu pes i la seva resistència a la corrosió. En general
s’utilitza per a tots aquells usos en els que es necessiten metalls
resistents i lleugers. Embalatge; paper d'alumini, tetrabriks,
etc. El paper d’alumini de 0,018 cm de grossor és
d’ús domèstic comú, protegeix els aliments i
altres productes caducables de la descomposició. A causa de la seva
lleugeresa, facilitat de maneig, compatibilitat amb aliments i begudes,
s’usa àmpliament com envàs en la indústria
alimentària. Construcció; finestres,
portes, perfils estructurals, decoració externa d’edificis, etc.
Béns d'ús; eines de
cuina, ferramentes, pistons de motors de combustió interna, etc. Transmissió
elèctrica. Encara que la seva conductivitat elèctrica és
tan sols el 60% de la del coure la seva major lleugeresa permet una major
separació entre les torres d'alta tensió, disminuint els costos
de la infrastructura. Recipients criogènics (fins
a -200 ºC), caldereria. Aliatges d'alumini: Duralumini Els compostos d’alumini
s’usen com a catalitzadors (Friedel Craft, AlCl3), per a
purificació d’aigües (sulfat d’alumini) i en
ceràmiques i vidres (òxid d’alumini). |
|
Lleugerament tòxic. Algunes persones manifesten
al·lèrgia a l'alumini, patint dermatitis per contacte, i fins i
tot desordres digestius ingerint
aliments cuinats en recipients d'alumini; per a la resta de persones, no es
considera tant tòxic com els metalls pesats, encara que hi ha
evidències de certa toxicitat si es consumeix en grans quantitats.
L'ús de recipients d'alumini no s'ha trobat que ocasioni problemes de
salut, estant aquests relacionats amb el consum d'antiàcids o
antitranspirants que contenen alumini. |